液态金属接触电阻精确测量：传输线法（TLM）的新探索

液态金属（如galinstan）因高导电性、可拉伸性及生物相容性，在柔性电子领域备受关注。然而，其与金属电极间的接触电阻（Rc）测量存在挑战：传统传输线法（TLM）假设电极薄层电阻（Rshe）可忽略，但液态金属的Rshe与铜电极（10−3 Ω/□）相近，导致电流分布不均，测量误差显著。本文提出一种改进TLM方法,通过独立电流施加与FEM模拟交联，使用TLM接触电阻测试仪实现Rc的高精度测量。

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传统TLM的局限性

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传统的传输线法（TLM）测量方法在测量半导体和导电糊等材料时较为有效，但在测量液态金属时，由于其与金属电极的方块电阻接近，传统方法的假设不再适用，导致测量结果不准确。

(a) 传统TLM测量；(b-i) 液态金属的传统TLM测量；(b-ii) 改进TLM测量

 

传统TLM在外电极施加电流，假设Rshe≪Rsho（被测对象薄层电阻），电流完全通过界面（Ii=I）。然而，液态金属的Rsho与铜电极相当（10−2∼100 Ω/□），导致大部分电流绕行电极，仅部分电流通过界面（Ii/I<10−1），测得的RcTotal仅含少量Rc成分。

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改进方法的设计与模拟验证

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(a) 外电极电流施加模型；(b) 各电极电流施加模型

 

为了克服传统方法的局限性，本文提出了一种向每个测量电极施加电流的 TLM 测量新方法。通过有限元方法（FEM）模拟，分析了不同电流施加方式下，电流密度分布以及通过界面的电流比例（Ii/I）的变化情况。

外电极电流施加下的FEM模拟结果

• 外电极电流：当向外电极施加电流时，对于液态金属，Ii/I 的值远小于 1，表明只有很少一部分电流通过界面，大部分电流绕过了接触电阻区域，导致测量结果严重偏离真实的接触电阻值。

各电极电流施加下的FEM模拟结果

• 各电极电流：当向每个电极施加电流时，无论方块电阻比（Rsho/Rshe）和接触电阻率比（ρc/Rshe）如何变化，所施加的电流都能完全通过电极与测量对象的界面，即 Ii 等于 I。

模拟结果清楚地揭示了传统方法在液态金属测量中的缺陷，同时也验证了新方法的有效性和准确性。

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对比两种电流施加方式

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Galinstan液态金属与铜电极接触 TLM测量装置示意图

 

采用Galinstan作为液态金属材料，电镀Cu作为电极（表面粗糙度Ra<1μm）。通过PET基底通道填充Galinstan，控制其截面形状。测量设备配置：电极间距L0=7.5~17.5 mm，施加脉冲电流（1.5A，200ms）以避免焦耳热和合金化影响。

• 对比两种电流施加方式：

外电极电流施加下(a) 对象长度（Lo）与电阻（R）关系；(b) ρc与RcTotal关系外电极电流施加下电流密度与Ii/I模拟

• 传统方法：测得RcTotal=0.125±0.056 mΩ，模拟曲线无交点，无法计算ρc。

各电极电流施加下(a) 对象长度（Lo）与电阻（R）关系；(b) ρc与RcTotal关系

各电极电流施加下电流密度与Ii/I模拟

• 改进方法：测得RcTotal=0.120±0.043 mΩ，与模拟曲线交联得（误差0.085 mΩ·mm²），精度优于传统焊料。

本文通过调控电流施加方式，解决了液态金属接触电阻测量中因Rshe不可忽略导致的误差问题。改进后的TLM方法将ρc测量精度提升至与焊料相当，为柔性电子器件的材料选择与设计提供了关键技术支撑。未来可进一步探索界面氧化层与真实接触面积的影响，以优化测量模型。

TLM接触电阻测试仪

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TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。

• 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%
• 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm
• 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换
• 定制多种探测头进行测量和分析

本研究通过理论与实验结合借助TLM接触电阻测试仪，为液态金属接触电阻的高精度测量提供了新思路，推动了可拉伸电子器件的实用化进程。

原文出处：《High-Accuracy Contact Resistance Measurement Method for Liquid Metal by Considering Current-Density Distribution in Transfer Length Method Measurement》

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